壟膜溝播與秸稈還田對內(nèi)蒙古黃土高原玉米農(nóng)田土壤水分、酶活性及產(chǎn)量的影響

高日平， 劉小月， 杜二小， 韓云飛， 任永峰，高宇， 趙沛義*， 李煥春， 張鵬

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，呼和浩特010019；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院資源環(huán)境與檢測技術研究所，內(nèi)蒙古旱作農(nóng)業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010031；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部內(nèi)蒙古耕地保育科學觀測實驗站，呼和浩特 011705)

全膜雙壟溝播是一項提高半干旱雨養(yǎng)環(huán)境作物生產(chǎn)力的集雨種植技術。該項技術集覆蓋抑蒸、壟面集流、壟溝種植于一體[1]，可大幅降低田間作物株間水分蒸發(fā)，增加作物根際水分供應量[2]，改善土壤水熱狀況，提升農(nóng)田物質(zhì)生產(chǎn)力和作物產(chǎn)量[3]。以年降水量400 mm左右的半干旱區(qū)應用最廣[4]。

內(nèi)蒙古黃土高原地帶屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候，是典型的旱作雨養(yǎng)區(qū)。年際間降雨量少，蒸發(fā)量大，年降雨量365 mm左右。自然降雨不足且缺乏灌溉條件，水資源匱乏是制約該區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要限制因子[5-7]。但該區(qū)域土地資源豐富，光熱條件優(yōu)越。耕地總面積4.69萬hm2，其中玉米為當?shù)刂髟宰魑?，占總種植面積的60%[8]。近年全膜雙壟溝播技術的大面積推廣應用，為該區(qū)域玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提供了有效的技術途徑，玉米種植面積和產(chǎn)量持續(xù)增長，且玉米莖稈資源也呈現(xiàn)逐年增長的態(tài)勢。

秸稈翻耕還田作為秸稈資源化利用的有效途徑之一，可提高土壤肥力[9]、改善土壤性狀[10]、增加作物產(chǎn)量[11]，被廣泛應用。研究表明，秸稈還田后需要一定的水分供應保證秸稈的正常礦化分解和養(yǎng)分釋放，而干旱半干旱地區(qū)土壤含水率較低，秸稈腐解困難，還田后反而會對作物生長造成負面影響[12]。壟膜溝播栽培技術與秸稈還田相結(jié)合可增加秸稈腐解速率[13]，提高土壤水分利用效率[14]和增加作物產(chǎn)量[15]。但目前關于秸稈還田與壟膜溝播栽培耦合后的土壤環(huán)境效應研究較少。鑒于此，本文從土壤含水量、土壤酶活性和產(chǎn)量諸方面綜合分析研究，探究了適宜內(nèi)蒙古黃土高原旱作區(qū)玉米覆膜栽培方式和高效秸稈還田利用模式，以期為該技術在玉米栽培中的應用和推廣提供一定的科學依據(jù)和技術參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試玉米品種為種星618。植株為半緊湊型，品種平均株高316 cm，平均穗位120 cm，總?cè)~片數(shù)21～22片，穗上葉上沖，穗軸紅色，軸細粒長。

供試地膜為聚乙烯吹塑農(nóng)用覆蓋薄膜(白膜)，規(guī)格為寬(1 200±15)mm，厚度0.012 mm。

1.2 試驗地概況

試驗于2019年5—10月在內(nèi)蒙古清水河縣農(nóng)牧和科技局良種場(111°39′E和39°57′N)進行。試驗田氣候類型為中溫帶半干旱大陸性季風氣候，年均日照時數(shù)為2 914 h，年平均溫度7.1 ℃，無霜期140 d左右，≥10 ℃積溫2 370 ℃，年均降雨量365 mm。土壤類型為黃綿土，土壤有機質(zhì)含量10.45 g·kg-1、全氮含量0.58 g·kg-1、全磷含量1.15 g·kg-1、全鉀含量24.50 g·kg-1、堿解氮含量35.10 mg·kg-1、有效磷含量16.52 mg·kg-1、速效鉀含量102.60 mg·kg-1，pH 7.87，屬低等肥力水平。試驗期間5—10月降雨量(344 mm)和月平均氣溫見圖1。

1.3 試驗設計

試驗為單因素隨機區(qū)組設計，共設置4個處理：秸稈還田(S)、全覆膜壟膜溝播(M)、全覆膜壟膜溝播結(jié)合秸稈還田(S+M)、秸稈不還田不覆膜(CK)。每個處理設置3次重復，小區(qū)面積96 m2(12 m×8 m)。上季收獲玉米秸稈用秸稈粉碎機粉碎至5～10 cm，并均勻拋散于田間。采用液壓旋耕機進行旋耕作業(yè)，旋耕深度為20～25 cm，秸稈翻埋深度為10～20 cm，還田量為6 000 kg·hm-2。地膜覆蓋方式為全覆膜覆蓋壟膜溝播(圖2)。2019年5月10日采用玉米全覆膜精量播種機進行播種、覆膜、施肥一體化作業(yè)，種植密度為52 500株·hm-2。氮肥總施用量為225 kg·hm-2，所有處理磷肥(P2O5150 kg·hm-2)和鉀肥(K2O kg·hm-2)一次性底施，試驗地終年無灌溉。

1.4 測定指標及其方法

1.4.1玉米地上部干物質(zhì)積累量的測定 在玉米苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期和成熟期各小區(qū)分別取3株玉米鮮植株，取樣測定鮮重后裝袋，并帶回實驗室于105 ℃殺青30 min，再將溫度調(diào)至80 ℃下烘干至恒重用以測定干物質(zhì)。

1.4.2土壤含水量的測定 在玉米苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期和成熟期分別以0—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60、60—70、70—80、80—90、90—100 cm共10個土層取土樣，采用土鉆取土烘干法測定土壤含水量。

1.4.3酶活性測定 在玉米苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期和成熟期分別取0—30 cm土層土樣用于酶活性測定，土壤過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法，土壤脲酶采用靛酚藍比色法，土壤蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法，土壤堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法[16]。

1.4.4產(chǎn)量測定 玉米成熟后，每小區(qū)選10 m雙行進行測產(chǎn)。

1.4.5玉米降雨利用率的計算 玉米降雨利用率的計算公式如下。

降雨利用率(kg·hm-2·mm-1)=產(chǎn)量(kg·hm-2)/生育期降雨量(mm)

(1)

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016處理試驗數(shù)據(jù)和繪制統(tǒng)計圖表，選用SPSS 25.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行方差分析和相關性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對玉米地上部干物質(zhì)積累量的影響

由表1可見，不同種植方式下，玉米苗期至成熟期地上部干物質(zhì)積累量差異顯著(P<0.05)。苗期各處理地上部干物質(zhì)積累量大小順序為S+M>M>S>CK，S+M處理、M處理、S處理較CK分別提高4.35%、8.70%、13.04%；拔節(jié)期至成熟期，各處理干物質(zhì)量直線增長，以S+M處理干物質(zhì)量最大；成熟期時，S+M處理、M處理、S處理較CK分別提高3.94%、15.12%、20.76%，以秸稈還田覆膜干物質(zhì)最大，不還田不覆膜干物質(zhì)最小，且覆膜不還田處理干物質(zhì)量大于還田不覆膜處理。覆膜干物質(zhì)量提升效果優(yōu)于秸稈還田，表明壟膜溝播結(jié)合秸稈還田可顯著提高玉米地上部干物質(zhì)積累量。

表1 不同處理下玉米地上部干物質(zhì)量

2.2 不同耕作方式對土壤含水量的影響

各生育期內(nèi)，玉米農(nóng)田土壤含水量均表現(xiàn)為S+M>M>S>CK(圖3)。其中CK土壤含水量隨土層加深呈“V”字形變化趨勢，S、M、S+M處理土壤含水量變化趨勢大致相同，均呈先升高后降低再升高后逐漸趨于平穩(wěn)的變化態(tài)勢，全生育期均以S+M處理土壤含水量最高、M處理次之，CK含水量最低。壟膜溝播結(jié)合秸稈還田各生育階段10個土層土壤含水量均有所提高，分別較CK提高了11.28%～55.54%、6.54%～37.72%、3.13%～38.33%、7.63%～29.17%、3.71%～17.53%、6.93%～19.40%、7.21%～19.61%、5.58%～29.00%、0.97～6.98%、1.43～10.20%，0—20 cm土層土壤含水量受蒸發(fā)影響較大。S、M、S+M處理與CK差異顯著(P<0.05)，壟膜集雨和秸稈還田可大幅減少表層土壤水分的無效蒸發(fā)，增加土壤耕層水分的有效供應；20—50 cm土層S、M、S+M處理土壤含水量與CK差異顯著(P<0.05)；50—90 cm土層土壤含水量在各生育時期內(nèi)，以S+M處理最高，與CK差異明顯，S處理與M處理差異不顯著(P>0.05)，90—100 cm土層土壤含水量S+M處理與CK差異顯著(P<0.05)，S、M處理與CK差異不顯著(P>0.05)。總之，從全生育期來看，各處理不同土層含水量的變化規(guī)律基本一致，S+M處理含水率最高，CK最低。

圖3 不同處理下玉米全生育期土壤0—100 cm土層含水量

2.3 不同耕作方式對土壤酶活性的影響

2.3.1土壤過氧化氫酶活性 土壤過氧化氫酶可表征土壤的生化活性程度。由表2可見，壟膜溝播和秸稈還田對玉米田土壤過氧化氫酶活性有顯著影響(P<0.05)。S、M、S+M處理土壤過氧化氫酶活性均高于CK，且隨著玉米生育期的推移，總體變化趨勢表現(xiàn)為先增加后降低，苗期最低，大喇叭口期達到峰值，各生育期內(nèi)以S+M處理土壤過氧化氫酶活性最高，苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期和成熟期較CK分別提高23.68%、25.87%、38.05%、35.05%和26.13%。不同處理土壤過氧化氫酶大小順序為S+M>M>S>CK。

表2 不同處理下土壤過氧化氫酶活性

2.3.2土壤脲酶活性 土壤脲酶與土壤中氮素循環(huán)密切相關，是評價土壤肥力的重要指標之一。由表3可見，玉米苗期至成熟期，S、M、S+M處理和CK處理土壤脲酶活性的變化趨勢一致，呈現(xiàn)先增加后減少的變化態(tài)勢，苗期最低，灌漿期達到峰值，各生育期S、M和S+M處理土壤脲酶活性與CK差異顯著(P<0.05)，灌漿期和成熟期時S、M、S+M處理較CK分別提高14.10%、24.36%、33.33%和21.31%、32.79%、52.46%，其中壟膜溝播結(jié)合秸稈還田(S+M)處理土壤脲酶活性最高，不同處理土壤脲酶大小順序為S+M>M>S>CK。

表3 不同處理下土壤脲酶活性

2.3.3土壤蔗糖酶活性 蔗糖酶對土壤C素的供應與釋放有重要作用，一定程度上可反映土壤肥力狀況。由表4可見，壟膜溝播和秸稈還田對玉米田土壤蔗糖酶活性有顯著影響(P<0.05)，S、M、S+M處理土壤蔗糖酶活性均高于CK，且隨著玉米生育期的推移，總體呈先增加后降低的變化趨勢，苗期最低，大喇叭口期達到峰值，S處理全生育期土壤脲酶活性較CK分別提高12.59%、17.44%、19.91%、17.50%和15.52%，M處理全生育期土壤蔗糖酶活性較CK分別提高16.35%、28.49%、21.78%、21.57%和20.92%，S+M處理全生育期土壤蔗糖酶活性較CK分別提高26.07%、35.37%、37.66%、28.34%和28.88%，各生育期內(nèi)以S+M處理土壤蔗糖酶活性最高，不同處理土壤蔗糖酶大小順序為S+M>M>S>CK。

表4 不同處理下土壤蔗糖酶活性

2.3.4土壤堿性磷酸酶活性 堿性磷酸酶可促進土壤中磷素的有效轉(zhuǎn)化。不同處理土壤堿性磷酸酶活性隨玉米生育期的變化趨勢與過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶一致。由表5可見，各處理土壤堿性磷酸酶活性從苗期至成熟期總體呈先增加后降低的變化趨勢，苗期最低，大喇叭口期達到峰值，S處理全生育期土壤堿性磷酸酶活性較CK分別提高14.38%、10.14%、13.31%、13.60%和22.76%，M處理全生育期土壤堿性磷酸酶活性較CK分別提高31.53%、24.08%、24.10%、19.66%和33.37%，S+M處理全生育期土壤堿性磷酸酶活性較CK分別提高33.64%、28.99%、31.68%、34.74%和39.93%，各生育期內(nèi)以S+M處理土壤堿性磷酸酶活性最高，不同處理土壤堿性磷酸酶大小順序為S+M>M>S>CK。

表5 不同處理下土壤堿性磷酸酶活性

2.4 不同耕作方式對玉米產(chǎn)量和降雨利用率的影響

由表6可知，壟膜溝播和秸稈還田對玉米產(chǎn)量影響顯著(P<0.05)，不同處理玉米產(chǎn)量大小順序為S+M>M>S>CK，S、M、S+M處理玉米產(chǎn)量較CK處理分別提高11.84%、37.83%、45.13%，以壟膜溝播結(jié)合秸稈還田(S+M)處理產(chǎn)量最高，壟膜溝播(M)處理次之，不覆膜不秸稈還田(S)處理最低，且覆膜壟作處理玉米產(chǎn)量大于秸稈還田處理。不同處理間玉米降雨利用率不同，S、M和S+M處理降雨利用效率較CK分別提高11.85%、37.87%和45.15%，壟膜溝播顯著增加了降雨利用率。

表6 不同處理下玉米產(chǎn)量、降雨利用率

2.5 土壤含水量及酶活性與玉米干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量相關性分析

玉米干物質(zhì)積累量和玉米產(chǎn)量與土壤含水量和酶活性相關分析結(jié)果(表7)表明，干物質(zhì)與土壤含水量、土壤脲酶呈顯著正相關，玉米產(chǎn)量與土壤過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶呈顯著正相關。土壤酶對土壤中養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)化具有重要作用，同時可促進作物對土壤中養(yǎng)分的吸收利用，影響作物產(chǎn)量，一定程度上反映作物生長狀況，這體現(xiàn)了土壤與作物之間的關系。土壤酶之間呈顯著正相關或極顯著正相關，土壤含水量與土壤酶之間呈顯著正相關，這表明壟膜溝播和秸稈還田改善了土壤水熱狀況，也改變了土壤微生態(tài)環(huán)境，促進了玉米的生長發(fā)育，提高了玉米產(chǎn)量。

表7 土壤含水量及酶活性與玉米干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量相關性分析

3 討論

3.1 壟膜溝播耦合秸稈還田對土壤性狀的影響

壟膜溝播和秸稈還田作為提升土壤生產(chǎn)能力、改善土壤生態(tài)環(huán)境、協(xié)調(diào)土壤水肥氣熱，提高作物產(chǎn)量的重要農(nóng)業(yè)技術措施被廣泛研究和推廣。諸多研究表明，在干旱少雨地區(qū)，地膜覆蓋和秸稈還田后土壤水分變化尤為顯著[17-18]。黃高寶等[19]通過探究不同栽培方式下玉米農(nóng)田高效用水機制認為，半干旱地區(qū)全膜雙壟溝播栽培土壤平均含水量最高，較對照提高14.19%，且對0—60 cm土層土壤含水量影響較大；刁生鵬等[8]在內(nèi)蒙古黃土高原地區(qū)通過兩年秸稈直接還田研究表明，秸稈翻耕還田可顯著提高玉米農(nóng)田0—80 cm土層土壤含水率，減少水分無效蒸發(fā)，增加土壤水分的有效供應；折翰非[20]在旱地研究表明，全膜雙壟溝播結(jié)合秸稈還田可顯著提高土壤0—200 cm土層土壤水分含量，耦合秸稈還田后耕層土壤儲水能力提高，土壤水分消耗減緩，同時也促進了秸稈的腐解。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果基本一致，在半干旱旱作區(qū)，壟膜溝播和秸稈還田均可顯著提高土壤0—100 cm土層土壤含水量，其中壟膜溝播提升效果明顯優(yōu)于秸稈還田。一方面這可能是由于秸稈還田覆蓋層疏松多孔、與土壤相接不連續(xù)，保水保墑能力一般，而全覆膜覆蓋較秸稈還田可大幅降低作物棵間水分蒸發(fā)，最大程度實現(xiàn)貧水富集，提高土壤含水量；另一方面秸稈還田對土壤水分的影響具有雙重效應，秸稈在腐解過程中也會消耗土壤中一定水分，從而影響土壤中水分含量。壟膜溝播耦合秸稈還田后土壤含水量增幅程度較單一地膜覆蓋和單一秸稈還田表現(xiàn)為最大，這可能是由于二者的疊加效應增強了土壤納雨增墑能力，大幅減緩了土壤水分蒸散，有效提高了土壤含水量，促進了土壤-作物-水分的良性循環(huán)，尤以耕層土壤含水量提升效果最為顯著。另外，壟膜溝播和秸稈還田后玉米地上部干物質(zhì)量較不覆膜不還田耕作顯著增加，其中壟膜溝播玉米干物質(zhì)量顯著大于秸稈還田，兩者耦合后干物質(zhì)量表現(xiàn)為最大，秸稈還田結(jié)合壟膜種植促進了玉米生長，這與牛芬菊等[21]在旱地研究得出的結(jié)論一致。

土壤酶作為土壤代謝的主要動力，時刻反映土壤中生化反應的強度和方向，是衡量土壤質(zhì)量變化的敏感性指標。張劍等[22]研究認為，全覆膜壟膜溝播可增加土壤酶活性，有利于改善土壤結(jié)構并提升土壤養(yǎng)分，可為植株根系生長及養(yǎng)分吸收創(chuàng)造良好微環(huán)境；高日平等[23]在黃土高原風沙區(qū)研究表明，秸稈還田可提高玉米田土壤酶活性，改善土壤微環(huán)境，提高土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和分解能力。本研究結(jié)果表明，壟膜溝播與秸稈還田均可提高土壤中過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性，全覆膜壟膜溝播雖不能直接提高土壤酶活性，但可改善農(nóng)田生態(tài)微環(huán)境和土壤水熱狀況，形成良好的局部小氣候條件，促進土壤中養(yǎng)分釋放，從而提高土壤酶活性。秸稈由于自身含有大量酶類物質(zhì)，還田腐解后可為土壤帶來大量酶和有機物質(zhì)，進而提高土壤酶活性，因此，壟膜溝播和秸稈還田均可提高土壤酶活性，且壟膜溝播耦合秸稈還田較單一覆膜和單一秸稈還田土壤酶活性提升更顯著。這可能是由于秸稈和地膜二者的協(xié)同互作效應，一方面地膜覆蓋改善了土壤的水熱狀況，加速了秸稈腐解與養(yǎng)分釋放，酶活性得到提高；另一方面秸稈還田提高了土壤的透氣性，增強了土壤生態(tài)環(huán)境與外界物質(zhì)交換，促進了微生物的生命活動，從而提高了土壤酶活性。這與吳榮美等[15]在秸稈還田和全膜雙壟集雨溝播耦合能夠提高土壤酶活性的結(jié)論一致。

3.2 壟膜溝播耦合秸稈還田對玉米產(chǎn)量的影響

徐文強等[24]研究表明，全膜雙壟溝播結(jié)合秸稈還田措施玉米增產(chǎn)效果顯著。本研究結(jié)果表明，全覆膜壟膜溝播和秸稈還田均可提高玉米產(chǎn)量，其中覆膜玉米產(chǎn)量提升效果優(yōu)于秸稈還田，覆膜促進了玉米植株根系對土壤深層水的吸收利用，提高了玉米成熟期生物量和產(chǎn)量，同時覆膜能夠抑制雜草生長，該效應對玉米增產(chǎn)起到了一定作用，覆膜結(jié)合秸稈還田玉米產(chǎn)量和降雨利用提高45.13%和45.15%，二者耦合改善了土壤水熱環(huán)境，提高了土壤酶活性，更有利于作物根系對土壤養(yǎng)分的吸收和利用，最終實現(xiàn)增產(chǎn)增效的目的。